Vulkanizmus a jeho důsledky III b. III. Produkty vulkanické aktivity David Buriánek Pouze pro potřebu výuky B. Produkty sopečných explozí Malý pyroklastický proud na Etně, Sicílie, 25.10.1999. Fhoto: R. Carniel Best, 2003 jednofázový systém (fluida jsou rozpuštěna v tavenině) dvojfázový systém (fluida + tavenina) dvojfázový systém (olivín + tavenina) dvojfázový systém (2 taveniny) čtyřfázový systém (tavenina + fluidy + olivín + plagioklas) 65-70 obj. % fluid 1 2 3 1. s rostoucí výškou klesá hustota atmosféry, ve výšce Hb již nemají částice dostatečný vztlak a pyroklastika se začínají pohybovat laterálně 2. celková hustota menší než okolní atmosféra (horký vzduch + produkty exploze), částice mají vztlak díky turbulentním pohybům, rychlost v konvekční části je kolem 10-100 m/s, max. rychlost ve střední části proudu 3. částice dosahují velké rychlosti díky expandujícímu plynu, 100 m/s pro Strombolský typ a Hawaiský typ a >600 m/s pro Pliniovský typ • Schematický diagram pyroklastické eruptivní periody • Pyroklastické napadávky s inverzní gradací jsou v podloží • 1) surge • 2a) bazální vrstva pyroklastického proudu s inverzní gradací • 2b) hlavní část proudu má normální gradaci litických fragmentů a opačnou gradaci pemzových úlomků, litické fragmenty (L) jsou koncentrovány na bázi a pemza je koncentrována v horní části proudu (P), v horní části jsou také fumarolové přívodní kanály (Fumarolic pipes = FP) v horní části • 3) vrstva popelové napadávky a poté následuje lávový výlev Stratovulkány Masaya (Nikaragua) Vulcano (Italie) Fall (spad): vertikální trajektorie, nízká koncentrace Surge: horizontální trajektorie, nízká koncentrace Flow: horizontální trajektorie, vysoká koncentrace Schematický diagram hlavních typů pyroklastických uloženin • 1) Fall (napadávky – spad): vzájemně paralelní vrstvy pyroklastik bez známek vnitřní eroze a dobře vytříděné, vrstvy kopírují terén • 2) Sourge (ignimbrity): vrstvy nekopírují terén, vrstvy nejsou průběžné a mění se jejich mocnost, křížové zvrstvení, erozivní kontakty, nepříliš dobře vytříděné • 3) Flow (lahary): vyplňují terénní nerovnosti, většinou špatně zvrstvené nebo nezvrstvené, nevytříděné 3) vrstva popelové napadávky a poté následuje lávový výlev 0842 0840 0838 0832 Mt St Helens 0 10 2030 40 50102040 30 20 10 Distance from Mt St Helens (km) Height(km) 0.25 0.5 10 1.0 0.05 Idaho Montana Wyoming Oregon Washington Walla WallaMt St Helens Scale 0 300 km Isopachs in cm Canada West Eastb) c) 0845 30 0.10 2.0 2.0 Ash cloud and deposits of the 1980 eruption of Mt. St. Helens. a. Photo of Mt. St. Helens vertical ash column, May 18, 1980 (courtesy USGS). b. Vertical section of the ash cloud showing temporal development during first 13 minutes. c. Map view of the ash deposit. Thickness is in cm. After Sarna-Wojcicki et al. ( 1981) in The 1980 Eruptions of Mount St. Helens, Washington. USGS Prof. Pap., 1250, 557-600. 1) Tefra • autigenní: juvenilní-z nového magmatu, • resurgentní: ze starých sopečných uloženin • allotigenní: cizí (nesopečný) materiál z okolí sopky nebo z jejího podloží • vulkanické bomby a bloky doletí na vzdálenost několika km • lapily desítky až stovky km • popel statisíce km • v okolí vulkánu může vzniknout vrstva tefry o mocnosti až několik stovek m Erupční oblak (Eruption cloud) • je oblak tvořený popelem a plyny ve směru větru od erupce (může mít světlou i tmavou barvu) • může dosáhnout až tisíce kilometrů od vulkánu • někdy dokonce popel ze sopky oběhne celou Zemi Erupční sloupec (eruption column) • je vertikální sloup tefry a plynů stoupající z ústí vulkánu Napadávky tefry (tephra fall deposit) • tefra padající z pyroklastického sloupce vytváří gradačně zvrstvený komplex Photographs taken by Space Shuttle astronauts about 24 hours after the start of the eruption of Rabaul Caldera. The eruption column rose to at least 18 km above sea level where the volcanic ash and gas were blown west to form a fan-shaped eruption cloud. Photographs provided by NASA, STS064-116-064 September 20, 1994 polohy tefry na svahu sopky Vulkano (Italie) • trajektorie klastů, které padají z pyroklastického oblaku při pliniovské erupci (Carey and Sparks, 1986.) • velikost klastů je uvedena v cm • příklady pro oblak 35-km vysoký 21-km vysoký Johnston, 1997 Approximate aerial extent and thickness of Mt. Mazama (Crater Lake) ash fall, erupted 6950 years ago. After Young (1990), Unpubl. Ph. D. thesis, University of Lancaster. UK. Washington Walla Walla Idaho Oregon California Nevada Utah Montana Canada Crater Lake Scale 0 300 km Wyo. 30 cm 5 cm 1 cm Seattle Portland Walla Walla Boise Cheyenne Omaha Salt Lake Denver Long Valley Los Angeles Phoenix Albuquerque El Paso Scale 0 300 km Kansas CitySan Francisco Maximum aerial extent of the Bishop ash fall deposit erupted at Long Valley 700,000 years ago. After Miller et al. (1982) USGS Open-File Report 82-583. Napadávky vulkanického popela (Air fall tuff) • Jemnozrnný popelový materiál z erupčního oblaku • bazaltická struska vzniklá spadem • dominují zde lapily • červená barva je způsobená termální oxidací při kontaktu horkých lapil s atmosférou • nepravidelný tvar lapil je výsledkem rozpadu vesikulárního magmatu na kusy • alterovaná scoria z metamorfovaného basaltického vulkanoklastického pískovce • obsahuje vejčité dutiny (V) mimo ně jsou nahromaděny drobné opakní minerály • některé vesikule vyplňuje jemný sericit a albit • jemnozrnná skelná hmota je částečně rekrystalovaná Pemza - Maďarsko Vulkanická puma Etna - Sicílie Průřez vulkanickou pumou Boaco - Nikaragua Tufy – Vrbičky (lom) Doupovské hory Krystalový a popelový tuf – Vrbičky (lom) Doupovské hory • když pyroklasticky erupční sloupec kolabuje vznikají pyroklastické proudy (pyroclastic flow) • pyroklastický proud je tekutá směs pevných a částečně natavených fragmentů hornin a expandující směsy plynů a par • směs je těžší než vzduch • tyto proudy se pohybují po úbočí vulkánu velmi rychle (nad 100 km/h) • bývají velmi horké a obsahují toxické plyny Pyroclastic flow, Mt. Pelée, Matrinique (1902) -- The village of St. Pierre on the island of Martinique was destroyed by a pyroclastic flow similar to the one shown here. This photo was taken a few months after the destruction of St. Pierre. Pyroclastic flows had not been previously described by volcanologists. This type of pyroclastic flow is called a nuée ardente, composed of hot, incandescent solid particles derived from the collapse of a lava dome. Other types of pyroclastic flows, derived from collapse of the eruptive column, are pumice bearing, and their deposits are called ignimbrites. Photo by Lacroix, 1902. 2) Pyroklastické proudy (ignimbrity) (pyroclastic flow) Uloženiny pyroklastického proudu vyplnily koryto řeky Marella, Mount Pinatubo, Filipíny; 1991 Flow Vertical eruption and column collapse (Mt. Pinatubo, Soufriere) a. Airborne b. c. d. Lateral blast (Mt. St. Helens) Low pressure boiling over (Mt. Lamington, Papua) Dome collapse (Mt. Pelée) • mají teplotou od 100 do 800° C • při vysoké teplotě dojde ke spečení (lahary) • pyroklastické proudy jsou velmi nebezpečné • mají obrovskou kinetickou energii, rychlost a daleký dosah většinou kolem 10-15 km (maximálně kolem 100 km od zdroje) • zničení Pompejí v roce 79 při erupci sopky Vesuv v Itálii nebo exploze sopky Mont Pelée v Karibiku v roce 1902 • Typy pyroklastických proudů (MacDonald, 1972; a Fisher–Schminke, 1984) a příčiny jejich vzniku : a. kolaps explozivního vertikálního sloupce pliniovské erupce, matriál padá znovu na zem a putuje po svahu sopky v podobě horkého mraku b. zničení části sopky při velké explozi postranní výbuch k jakému došlo na Mt. St. Helens v roce 1980 c. „zpěnění“ (“Boiling-over”) magmatu s vysokým obsahem plynů z jícnu d. kolaps sopečného dómu a jeho následný rozpad - gravitační kolaps dómu. Orton 1996 Collapse of lava dome generates pyroclastic flow on Unzen Volcano, Japan, on March 23, 1993 The fall of fresh lava and hot rock debris from a lava dome or thick lava flow can generate scores of pyroclastic flows. The repeated collapse of a growing lava dome atop Unzen Volcano caused thousands of small but dangerous pyroclastic flows between 1991 and 1995. http://volcanoes.usgs.gov/Hazards/What/PF/PFFormation.html • progresivní agradace pyroklastického sedimentu během jeho usazování • v horní části proudu dochází k turbulenci a tím se snižuje hustota proudu (Branney-Kokelaar, 1992 a Druitt, 1992) Vývoj ko-ignimbritového chocholu z pyroklastického proudu sestupujícího ze svahu vulkánu Vývoj hustoty oblaku a množství pórů od chvíle kdy oblak ještě obsahuje vzduch až po úplné spečení • To jak bude výsledný sediment vzniklý z pyroklastického proudu vypadat závisí na mechanizmu usazení, procesu chladnutí, procesu spékání, a sekundární krystalizaci (např. devitrifikace) • Během sedimentace dochází k několika procesům: (1) ztráta vzduchu z oblaku, (2) ztráta plynu, (3) mechanická kompakce, (4) kompakce způsobená spečením, (5) deformace Intenzita spečení v závislosti na topografii terénu A) Block and ash proud (Fisher-Heiken, 1982) • ostrohranné lapily s nízkým obsahem póru a popel • lapily jsou termálně oxidované ale nespečené B) Scoria and ash proud (Naim-Self, 1978) • převládají úlomky andezitové a bazaltové strusky • nebývají časté • ke spečení dochází jen v případě že je mocnost malá C) Pemzový pyroklastický proud nebo ignimbrit (Sparks et al. 1973) • hodně pemzy, krystalů a vulk. skla v matrix • kyselé horniny • několik procent litických fragmentů • různý stupeň spečení a devitrifikace Tři typy pyroklastických proudů Pyroklastické vlny (Pyroclastic surges) • jsou produktem žhavých turbulentích pyroklastických proudů • jemné a hrubší částice jsou dispergovány v plynu a vodní páře • na bázi je proud nejhustší a pohybuje se jako proudová vlna • může dokonce erodovat podloží • typické je šikmé zvrstvení • vytřídění je lepší než u běžných pyroklastických proudů Facie suchých pyroklastických vln, Korea (Shon-Chough, 1989) Vnitřní zvrstvení – chute-and-pool (Schmincke et al., 1973) Hlavní znaky hummocky (pahrbkovitá) křížového zvrstvení (Allen., 1985) Sourge, Nikaragua Pyroklastická vlna (Pyroclastic surge) Boaco (Nikaragua) • Model chování pyroklasitckých vln během počátečního stádia pliniovské erupce: • a) Přetlakový výbuch způsobí šokovou vlnu jdoucí před popelem bohatým na litické fragmenty, • šokové vlny způsobují zředění pyroklastického materiálu • b-c) od místa výbuchu se šíří šokové vlny, • způsobují zředění na okrajích proudu, • vznikají tak explozivní vlny (blast wave) které jsou v předpolí hlavního proudu pyroklastik • d) Začíná kolabovat pyroklastický sloup a usazuje se časný popel z jícnu (juvenile ash) (Wohletz et al ., 1984) Vztah mezi hustotou proudu a a hustotou klastů Sourge, Nikaragua • způsob transportu: neustálý laterální proud přes podloží, rytmická saltace, pohyb v sustenzi • plošný rozsah: usměrněný, částečně řízený odtokovými možnostmi reliéfu • sedimentační struktury: tence zvrstvené, vykazují řadu sedimentárních struktur (duny, různé typy zvrstvení, deformace v mokrém sedimentů) • zrnitostní charakteristika: špatně nebo středně vytříděné jemný až hrubý popel • mechanizmus erupce: vulkánská, Pliniovská, freatická, hydrothermální • surge je řidší než pyroklastický proud • proto surge snadněji překonává terénní nerovnosti a má větší rozsah a je nesnadněji předvídatelný Sourge, Nikaragua Pyroklastické vlny (Surges) Bazální pyroklastické vlny (Base Surges) • Poprvé popsány na vulkánu Taal (Moore 1967) • Velmi podobné s usazeninami generovanými nukleárním výbuchem • Vznikají v důsledku interakce magmatu s vodou například v maarech • Sedimenty dosahují vzdálenosti 5-6 km od vulkánu Spodní pyroklastické vlny (Ground Surges) • Tyto sedimenty vznikají na bázi pyroklastického proudu (laharů) • Jsou jemně planárně a často také křížově zvrstvené • Mocnost vrstev je kolem 1 m • Jsou složeny hlavně z litických fragmentů a fragmentů krystalů Pyroklastické vlny popelového mraku (Ash Cloud Surges) • Je nejvíce ničivý typ • Vytváří tenkou vrstvou • Pohybuje se velkou rychlostí (10 – 100 m/sec) a nese sebou stromy, bloky hornin